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姚颂:正在追赶马斯克的中国商业航天,又迈出了一大步
送交者: JollyRoger[★★★★周而不比★★★★] 于 2024-02-29 15:38 已读 956 次 1 赞  

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编者按:全球起飞推力最大固体运载火箭、世界首型全固体捆绑运载火箭、我国首个海上成功发射的捆绑构型运载火箭……

1月11日,“引力一号”遥一商业运载火箭在山东海阳发射成功,将搭载的3颗云遥一号气象卫星送入预定轨道,并创造了多项记录。

而“引力一号”的发射,其实只是近年来国内商业火箭发展的里程碑之一。随着市场需求的不断增长,中国商业火箭的发展也迈向了新征程。

在“引力一号”发射前,东方空间联合创始人、联席CEO姚颂接受了媒体采访,针对“引力一号”的技术特点、未来商业火箭的发展前景等问题进行了一一解答。

问:相比较去年星河动力的火箭发射,这次东方空间的发射主要聚焦、攻坚了哪些难题?

姚颂:这是我们公司的首次发射,相较于去年星河动力发射的谷神星一号,我们要解决的最大的一个难题——我们的火箭是目前中国海上发射最大的一枚。

根据可以查到的数据,“谷神星一号”的起飞质量应该在20吨左右,而我们这次发射的火箭起飞质量在400吨左右,所以发动机的起飞推力完全不同,谷神星一号的起飞推力在30-40吨之间,而我们则在600吨上下。

因此,大家会发现我们这次的发射船和之前所有的发射船相比,长得都不太一样。为了进行这次发射,当地政府特地投建了一条全新的航天发射船——东方航天港号。它的标准排水量是22000吨,和其他发射的船的主要区别在于:

第一,原来的小型火箭底下是导流锥,火焰喷下来顺着导流锥向四处散开,而东方航天港号是设计了导流槽,火焰向下面喷射,底部会续上海水,两侧分别有两个斜切的开口,可以将烟雾、水蒸气等喷射出来,只有这样才能对这么大的火箭进行降噪,减轻发射对船体造成的灼伤。

第二,东方航天港号配备了一个叫DP2的动态定位系统,可以相对精确地定位在一个点上,并且具备一定的抗风浪的自主功能,相对来说,发射船就会更加平稳。

火箭技术上的难题在于,我们这次发射的火箭相对于历史上所有的固体火箭,还有一个非常难的点在结构层面,这是全中国目前为止第一款捆绑式的商业级火箭。放眼全球范围,在所有的商业航天企业中,这是继马斯克的重型“猎鹰”之后第二款捆绑式的火箭,还是固体捆绑式的火箭。

其实捆绑式火箭大家并不陌生,咱们国家的“长五”“长七”都是,但是在商业火箭中还是比较少见的。因为捆绑结构的设计难度本身就非常高,火箭的助推器与主火箭连接点大概也就是一个直径20-25厘米圆形的区域,而我们的单一设计指标就要求这个区域能承受200吨的推力。其次,它还得足够简单,因为它要能够发一个命令迅速分开,并且形成一个几米每秒的相对分离速度,所以就要求既要牢固又要简单,这本身在机械机构上就很困难。第三,火箭发射这么大的一个力压在一个表面上会发生焊接作用,即分子和分子之间相互渗透,很容易分不开,因此还得用到一些特殊的材料涂层。

此外,我们这次发射的火箭是中国首个固体捆绑固体的火箭,还有一个问题在于固体点火之后,整体内部会有高压,导致整个火箭和助推器都会拉长,而这和液体火箭是有一定区别的,拉长之后可能在几个厘米这样的级别,因此我们所有的连接必须是柔性的而不能是刚性的。

所以相关的机械结构设计,包括气动设计的难度要求都高了不少,这一点我觉得是未来很多火箭企业可能想去攻克的一个技术难题,我们前后也是花了两年多的时间才把这个难题攻克掉。

问:相较于马斯克的SpaceX,我们这次火箭的吨位发射成本如何,是降低了还是提高了?

姚颂:国内现在的平均发射成本肯定还是比马斯克的发射成本高的,有数倍之多,比如一些小的火箭还有一些其他公司的火箭,平均发射成本在国内可能是超过10万元人民币每公斤,折算一下就是超过了15000美元一公斤。

我们这次的发射成本,比原来国内商业发射的平均成本下降了一半多,但具体数字涉及商业机密,我不能透露。

可以这么说,相较于马斯克,我们目前仍然有差距。之前在武汉的一次航天峰会上,一位来自国际某宇航机构的专家给出的数据是,马斯克现在回收火箭的发射成本是1700美元一公斤,相当于1.2万-1.3万人民币左右。我们目前的成本较10万元可能下降的非常显著,但和他比还是贵了不少,可能得有一倍,所以还是有继续前进的空间,进一步把成本降下来。

目前我们有三条路径在走。

第一个路径是把火箭做的足够大,这样成本才能够足够摊薄。马斯克之所以能做的那么便宜,就是因为“猎鹰9”有22.8吨的运载能力,回收型也有超过18吨的运载能力。而我们的火箭运载能力是6.5吨,之前很多的商业火箭的运载能力还在200-300公斤或者1-1.5吨左右。

这其中包括很多开工成本、供应商供货成本、基础设施建设成本,没有办法通过吨位的形式去摊薄,所以它的成本很高。大家都在发新闻说要做更大的火箭,是因为只有更大的火箭才有可能把基础的发射成本降下来。

第二个路径,火箭里面的很多原材料,包括核心的元器件都非常昂贵。比如芯片,原来我们可能用的都是宇航级的芯片,一颗芯片能换一辆宝马车。包括很多的合金材料也都比较贵,还有一些加工工艺,所以我们现在尽可能用工业级的方式、工业级的器件去做代替。这次在我们首飞的火箭上就会放上公司自研的基于工业级器件的高性能箭载计算机,作为备份计算机,而主计算机还是一个高度可靠的机械构成的计算机。

第三条路径就是大家耳熟能详的可回收方式,但大家也要注意一点,即便是马斯克,它的发射全都是海上回收;因为如果火箭发射还要倒着飞回原地,由于飞出去还得回来,那发射能力直接砍一半。收入变成了原来的40%,成本则变成原来的一倍,这么一算,单价其实是更贵的。所以,马斯克的海上回收一定是火箭先发射出去,自由落体之后在它的航落区用船接到,然后才能实现回收。因此我们也必须得在海边发射,才有可能实现航落区的回收。

我们也已经开始积累可回收的各项技术,包括变推力的发动机、优化算法、高性能的箭载计算机,基于差分定位的精确定位系统等等,所以,我们预计可能会在一年左右的时间内进行公司的首次回收测试,并且在两年左右的时间实现可回收火箭,也就是引力二号火箭的首飞。引力二号之后加上首飞,我觉得我们是完全可以追上马斯克当前的发射成本的。

问:是不是可以这样理解,发射成本越高,技术瓶颈打破的越快,那么发射成功率就越高?

姚颂:发射成功率和成本没有直接关系,马斯克的发射成本是全球最低的,但是他已经连续280-290次发射成功了。我觉得要发射成功,第一是要有一套工业化的体系作保障,而不是依赖于个别有经验的师傅或者专家去做检查。

第二则是火箭实现可回收后,会对火箭的可靠性和发射成功有巨大帮助。一次性火箭回传的遥测信号的带宽其实很低,因为不可能把火箭上所有的数据都传回来,但如果是可回收火箭,就能装上海量的传感器,把所有的数据采集回来,然后去分析哪里出了故障,通过不断回收逐渐把所有的故障排除。

通过这种方式,才能更好地提升火箭的可靠性。

问:从大众的视角里看,SpaceX是用不断的失败来迭代升级的,那么我们在研发火箭之前,是通过什么样的模拟方式来确保发射成功?

姚颂:没有任何人能保证火箭发射的成功,火箭是一个特殊的行业,所有的工作都做在发射前,在发射过程中出现了任何问题,都是没有能力去调整的,所以只能说我们对于火箭发射的信心目前比较充足。

回到刚才的问题,第一我们要做充分的地面试验,比如这一次我们发射火箭的技术最难点就是分离,所以去年7月和8月就在当地做了两次火箭助推分离实验,验证所有设计的可靠性。所有的核心零部件、核心的动态过程,也全部都做了很多实验,包括相关联的各个部分也做了仿真实验。

第二则是用充分的设计去保障整个火箭的安全性。比如我们的机构系数会有很多的冗余强度。这一次加的保障系数会比较充足,在很多可能会出现故障的核心零部件上,比如刚才提到的箭载计算机,我们就有备份的箭载计算机,能够在10毫秒级别进行切换。在爆炸螺栓等敏感结构上,我们会加上一次失效保障,有的甚至会加上二次失效保障,如果主系统、备份系统都没工作,还有第二个备份系统能让它完成工作。

第三是我们的整个技术团队做的非常细致,这一点和做芯片很像,大家会逐毫秒地仔细核对整个火箭飞行动态中会遇到哪些事件,然后把所有这些可能发生的事件全部都仔细梳理弄清楚,所以大家是把所有能够想到的事情都非常细致的解决了。

当然还是回到那句话,能想到的都能解决,但火箭如果真的发生问题,就是你没有想到的,所以我们还是信心满满的去做这一次的发射,但是像“保证”两个字我们确实是不敢说的。

问:“引力一号”和引力二号在发动机和推进剂方面都有所不同,这是出于什么样的考量?

姚颂:从历史来看,2015-2016年之间出现了第一批火箭公司,随后断了一两年,2018-2020年又出现了一批公司,这其中包括星河动力、天兵、中科宇航以及东方空间。

为什么会在这个时间段内出现一批新企业?因为在那个时间点上,中国卫星互联网的筹备组成立了,包括长河卫星开始批量发射了一些遥感卫星,大家这才发现市场上有很多真实的商业需求没有得到满足。

这四家企业有一点非常有趣,里面有三家企业(星河动力、中科宇航和东方空间)是做固体火箭的,没有做甲烷。因为大家考虑的是去满足客户需求的紧迫性。考虑到整体供应链的成熟度、技术的成熟度、成本控制等诸多因素,我们自己做了固体到液氧煤油的规划,第一个考虑的要素就是尽快推出一款运载能力足够大、成本足够低、可靠性足够高的主力商业火箭,能够参与到现有的所有发射任务中。类似于理想汽车的增程式,听起来技术不是最先进的,但通过系统的方式把它综合起来,做成一个市场上极具竞争力的产品。

我们的引力一号目前也是中国民营商业火箭型号里,最受客户认可、签署卫星发射合同最多的火箭,可能没有之一。后续我们估计也会遇到一些瓶颈,比如运载能力的进一步提升难度还是相对较大,而且它也不太可能做到可回收,所以后面我们肯定是要往液体发展。

我们在这一个阶段做到了运载6.5吨,拿到了几百颗卫星的发射合同,卖得比较扎实。液体火箭发动机的研发生产制造基地也已经在无锡落地,可能在2024年内,我们就能争取时效内第一次的回收实验。

问:目前国内商业航天的发展主要还是集中在发射领域,更多偏向于进入空间的能力建设这一块,在应用方面相对比较弱。对于未来卫星发射市场,东方空间有什么参与计划?

姚颂:从去年年底开始,整个火箭行业的投资市场相对回暖,这是基于大家有了卫星互联网等应用需求,对于未来发射市场的容量有了乐观预期。

整个2023年,SpaceX应该发射了超过90次“猎鹰9”的回收,每一次的发射量大概是18吨左右,就算90乘以18,也有1620吨,而全中国去年的发射总质量可能只有100多吨。

如果以10万人民币一公斤的发射价格计算,一吨是1亿元人民币,如果按照5万一公斤的发射价格计算,一吨是0.5亿元人民币,这意味着用SpaceX去年的发射量套上中国当前的商业发射价格,那就是一个一年1000多亿的市场。

随着我们国家的卫星互联网,还有上海等地方的卫星互联网,包括银河航天等商业的卫星互联网出现,在2030年左右,我们一年至少有2000-3000颗的发射量需求,而且那个时候有可能直接到了星链二期,也就是单星在1吨左右,一年光商业发射的需求量在2000-3000吨左右。

到那个时候,我们的发射成本可能已经下降到马斯克当前的成本,发射价格可能在2-3万人民币一公斤,也就是每吨大概在0.2-0.3亿元。这么算下来,一年大概有400-600亿的发射市场。我个人之所以对整个行业持开放态度,同时也和所有同行保持良好的关系,包括私人关系,就是因为我觉得火箭发射市场是一个正在迅速打开的市场,目前基本上不存在相互之间的直接竞争。

至少在2030年以前,我认为各家公司只要能把运载能力足够大、可靠性足够高、价格足够便宜的火箭造出来,基本上不会缺卫星互联网发射的订单。

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